Память из оксида кремния: дефект не всегда дефект

АрхивСтатьи

Подобные открытия принято относить к категории сделанных случайно, но в действительности случайность здесь ни при чём - всё дело в любознательности и дотошности учёного.

Эта история началась год назад в американском Университете Райса, штат Техас. Группа учёных под руководством профессора Джеймса Тура проводила в университетской лаборатории исследования, целью которых было найти способ создания элементов памяти из углеродных материалов. Работа увенчалась успехом: был получен опытный образец ячейки памяти из графитовых полосок шириной 10 нанометров и толщиной в 10 атомов, которые под действием тока могли разрываться и снова соединяться, то есть "записывать" логические нули и единицы. Механизм этого явления не был тогда окончательно понят и дальше гипотез дело не пошло.

Однако входивший в состав этой группы учёных аспирант Цзюнь Яо решил докопаться до физических основ процесса и продолжил эксперименты. Он стал заменять графит другими похожими по свойствам углеродными материалами и пытался повторить опыт – безрезультатно. На каком-то этапе подбора подходящих веществ Яо зажал очень тонкий "ломтик" оксида кремния между листами поликристаллического кремния. При этом оксид послужил диэлектриком, а листы из полупроводника поликристаллического кремния выступили в роли электродов.

Когда Яо подал на электроды напряжение, он, вероятно, испытал тот же набор эмоций, что и Архимед, кричавший "Эврика!", выпрыгивая нагишом из ванны. Под влиянием электричества из оксида кремния высвободилось несколько атомов кислорода, а из нанокристаллов кремния сформировалась проводящая цепь. Как и в случае с графитом, эту цепочку можно было последовательно разрывать и восстанавливать, подавая на неё электрический ток с тем или иным напряжением.

Ширина цепочки составила всего пять нанометров, что вдвое меньше ширины графитовых полосок и в десятки раз меньше производственных норм для самых современных серийных микросхем. Это значит, что использование подобных ячеек на основе оксида кремния в микросхемах памяти позволит как минимум в десятки раз повысить плотность твёрдотельных накопителей по сравнению с нынешним уровнем.

Как ни странно, Яо далеко не сразу удалось убедить скептически настроенных коллег в том, что он смог повторить "графитовый" опыт с использованием одного только оксида кремния. "Это наука, – считает Яо. – Если вы ведёте какие-то исследования, и все кивают вам в знак одобрения, то ваше занятие наверняка не очень важно. А вот если вы занимались чем-то, и все мотали головами, а потом вы всё-таки доказали свою правоту, то вы, возможно, наткнулись на что-то значительное. Неважно, верят ли вам, важно, правы ли вы или нет".

Сформированная под воздействием электрического тока кремниевая цепь (показана розовым цветом) между углеродными нанотрубками (показаны зелёным)

Чтобы доказать коллегам, что его схема работает, Яо срезал углеродную нанотрубку для локализации места переключения, а затем при помощи сфокусированного пучка ионов отрезал очень тонкий "ломтик" оксида кремния и под трансмиссионным электронным микроскопом идентифицировал сформировавшуюся под воздействием электричества нанокристаллическую кремниевую дорожку. Результаты изысканий Яо опубликованы 31 августа 2010 года в научном журнале Nano Letters.

Профессор Джеймс Тур, научный руководитель Яо, рассказывает, что поначалу другие члены группы попросту не поверили ему. При этом, по словам Тура, никто из них не смог оценить потенциал оксида кремния, хотя это один из самых изученных материалов в истории человечества: "Большинство из тех, кому довелось бы увидеть этот эффект, решили бы, что это пробой оксида кремния, и выбросили бы образец. А эффект просто сидел и ждал, чтобы его использовали". То, что было принято считать дефектом, стало основой новой технологии.

Тур высоко оценил достижения своего подопечного. "Вся прелесть схемы в её простоте", – эаявил он, а простота – ключ к масштабируемости технологии. В современной флэш-памяти используются ячейки с тремя выводами (сток, исток и управляющий затвор), а переключатели или ячейки на основе оксида кремния обходятся всего двумя выводами, ведь им не нужно хранить заряд. При этом они прекрасно совместимы с существующей технологией производства микросхем, что означает простоту внедрения.

Кроме того, такие простые ячейки можно собирать в миниатюрные, но чрезвычайно ёмкие трёхмерные массивы. В полупроводниковой индустрии сформировалось мнение, что если в течение ближайших четырёх лет производитель памяти не освоит технологию трёхмерных массивов, то он окажется на обочине этого бизнеса. По мнению Джеймса Тура, придуманная Яо ячейка идеально подходит для конструирования 3D-памяти.

Микросхема памяти с ячейками на основе оксида кремния

В компании PrivaTran при участии учёных из Университета Райса сконструировали и начали испытания опытного образца микросхемы памяти, содержащей 1024 ячейки на основе оксида кремния. Чип состоит из сетки из 32 х 32 пересекающихся кремниевых проводников, в местах пересечения которых под действием тока формируются или разрушаются дорожки, фиксирующие нули и единицы двоичного кода.

Первые результаты испытаний свидетельствуют о том, что цепи из оксида кремния обладают всеми достоинствами ячеек на базе графитовых полосок и демонстрируют отменную надёжность и высокую скорость переключения – менее 100 наносекунд. По оценкам специалистов, чип памяти на базе таких ячеек сможет выдерживать ионизирующее излучение, а это означает возможность его применения в оборудовании военного назначения, а также в системах для исследования космоса.